szenzorok főbb típusai
DESCRIPTION
SENSOR. Szenzorok főbb típusai. - piezo ellenállás ill. feszültség - kapacitív - optoelektronikus - mágneses - mikrohullámú (radar) - lézer - akusztikus ill. ultrahangos. SENSOR. Előállítási technológiák. - Hagyományos, diszkrét elemekből - szilicium planar, System-on-Chip (SoC) - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
VLSI 1
Szenzorok főbb típusai
- piezo ellenállás ill. feszültség
- kapacitív
- optoelektronikus
- mágneses
- mikrohullámú (radar)
- lézer
- akusztikus ill. ultrahangos
SENSOR
VLSI 2
Előállítási technológiák
- Hagyományos, diszkrét elemekből
- szilicium planar, System-on-Chip (SoC)
- MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System)
- vékonyréteg techn.
- vastagréteg techn.
- mikrohullámú, optikai, stb.
SENSOR
VLSI 3
Intelligens szenzor blokksémája
Szenzor Jel elő-készítő
JelfeldolgozóProcesszor
A/Dátalakító
Adatmemória
Programmemória
Adatátvitel
RF
VLSI 4
- kompenzálás, kalibrálás
- analóg-digitál átalakítás
- jelfeldolgozás, szűrés, tömörítés
- tárolás
- adatátvitel
- programozhatóság, adaptivitás, öntanulás
- Ön-teszt (BIST, Built-In Self Test)
Szenzorok intelligenciája
SENSOR
VLSI 5
- szakaszos (sleep) üzemmód- optimalizált algoritmusok - külső energiaforrások (transzponderek)-rádiófrekvenciás átvitel …távolságok ...?
Implantált (hordozható) szenzorok Alapprobléma: fogyasztás
SENSOR
VLSI 6
Micro-Electro-Mechanical-System (MEMS) technológiák
Eltávolítottoxidréteg
Szilicium szubsztrát
Leválasztottpoliszilicium réteg
Szilicium szubsztrát
Marással eltávolítottalapkristály (üreg)
Cantilever
Cantilever
Felületi MEMS technológia Tömbi MEMS technológia
• igen kis méretek
• jól integrálható
viszonylag nagyobb méretek
- integrálhatóság ?
SENSOR
VLSI 7
Integrálható tapintásmérő - piezorezisztív jelátalakítás- pórusos Si alapú mikromechanikai megmunkálás elsőként- a felületi és tömbi mikromechanika előnyeinek kombinációja - egykristályos, integrálható érzékelő elem - újdonság
100m
200m200m
Mechanika
VLSI 8
V1
GND
GND
VDDVDD
VDD
VDD
V2
V3
V4
Változó (megnyomott)ellenállások
Referenciaellenállások
Lebegő híd
MEMS lebegő hidas érzékelő kapcsolási rajza
6 kivezetés/híd
Mechanika
VLSI 9
Tapintásmérő jel-erősítőU1
VCC
VCC
Érzékelő
R1
R2RREF
RMÉRŐ
U2
helipot
Uk
dekóder
Sín
PAD
Tapintó-érzékelőa panelen
Mechanika
VLSI 10
MOS kapacitív érzékelő
polymer
Mérési pont
Polymer-kapacitás (veszteséges)Oxid-kapacitás
SiO2
n-szilícium
GND
fémcsíkok
VLSI 11
UG Referencia-elektróda
SiO2
Folyadék-tér
n-drain
A tranzisztor ID(UGS)-görbéje hidrogén hatására balra (-U) tolódik el
ISFET (Ion Sensitive FET) térvezérelt érzékelő tranzisztor
p-szilícium
n-source
US UD
csatorna
Kémia
VLSI 12
UG
Referenciaelektróda
SiO2
Folyadék-tér
n-drain
A tranzisztor ID(UGS)-görbéje hidrogén hatására balra (-U) tolódik el
ChemFET térvezérelt kémiai érzékelő tranzisztor
p-szilícium
n-source
US UD
csatorna
ion-szelektív áteresztő membrán
hydrogel
Kémia
VLSI 13
Differenciális (két tranzisztorból álló) ChemFET érzékelő
p72
ReferenciaChemFET
ChemFET
Szelektívvédőburok
Mérendő gáz
Kémia
VLSI 14
Multi-szenzoros elrendezés
Minimum 3 szerves anyag érzékelése
Szigeteletlen, lebegő gate
S1
S2
S3 D3
D2
D1
Ablak
Kémia
VLSI 15
Gázérzékelés „mikro-fűtőlap” (hotplate) segítségével
Hotplate hőmérséklet: 250-350 oC
E2 mérőelektróda
Szigetelő membrán
p-szilícium szubsztrát
n-szilícium sziget
Hőmérséklet-érzékelő
Poliszilícium fűtőellenállás
Vastag-réteg film SnO2 ellenállás
E1 mérőelektróda
Kémia
VLSI 16
Érzékelő octagonális (a) és circuláris (b) „hotplate” fűtőelemmel, hőszenzorral és elektródákkal
Változó ellenállás
Kémia
VLSI 17
A 32-csatornás „szita” érzékelő vázlata
Külső adótekercs
C-buffer C-hangoló
vevőtekercs
Külső adótekercs
Szilíciumszalagkábel
Szilícium szitaElektróda (MEMS)
Üveg tokozás
On-chipelektronika
C-tároló Adó
Controller
Elvágott és a szitán átnövő,regenerálódott idegszálak
Neural
VLSI 18
A 32-csatornás „szita” érzékelő külső egysége
CLKÓrajel-generátor
Burkolódetektor
vevőtekercs
Adótekercs
Adó
Feszültség-szabályozó
Adat-kódolóMért jel
Vezérlőbemeneti jel
C-hang.
VDD
GND
Neural
VLSI 19
3.3. A 32-csatornás „szita” érzékelő belső egysége
Áram-fesz.konv.
Power onreset
A/D konverter
Controller
Mért jel
VDD
GND
CLK
Vezérlő- jel
ElektródákCsatorna- szelektor
Előerős.
IREF
Előerős.
2:1 Analógmultiplexer
(Egyidejűleg két, tetszés szerint kiválasztott elektróda potenciálját méri)
Neural
VLSI 20
A 32-csatornás érzékelő adatátviteli protokollja
1 10 0Start
Power up Write Read 16-bit digitalizált érték10-bit csatorna cím
Start 000 1
( 2 x 5-bit → 2 elektróda a 32-ből)
Chip: 3m BiCMOS techn., 4 x 6 mm, 5000 tranzisztor, CLK=2 MHz, VDD=5,2V, P 90mW
Neural
VLSI 21
Tipikus kétutas mérőrendszer felépítése
ASKdekóder
Clockrecovery
10bit A/D
Power onReset
Endekóder
RegiszterekControlLogika
Táp
OszcillátorKeverő
MUX
Aktívtransmit
E-oszt.meghajtó
4 MHz60 kb/s6-15V2 mW
250 ksample/s1,4mW / 3V
Neural
VLSI 22
Analóg MOS-kapcsoló helyettesítőképe
Cg s
S DKrsd
Ube
Cg d
Cd bCs b
G
C
Uki 0 5VVTn VTp
nMOS
pMOS
rON
Ube
Analóg
Ube Uki
Unyitó
Unyitó
Unyitó
terhelő
RC=integráló tag !Spektrum…!
eredő
VLSI 23
K
Hibaképző éskompenzáló
Uki
Főerősítő
Ube
Chopper stabilizáltmellékerősítő
Chopper-stabilizált erősítőAnalóg
VLSI 24
Kétfokozatú CMOS műveleti erősítő
)/(:
2
)()( 6542
5121
mSVmAmeredekség
IL
wKg
gggg
ggAAA
Dm
dsdsdsds
mmv
T1
T2
T8T6
T5
T4T3
T7
U+ U-
100A
100A
200A
1,14V
50A
100/0,6
1,8V
0,64V
1,14V
1,14V100/0,6
160/0,8
40/0,8
160/0,4
200/0,6
160/0,4
40/0,8
2pF300ΩUki1,2V
0,25m techn.
λn=0,02/V
λp=0,04/V
γ=0,4 [V-1/2]
VTn=0,48V
VTp=-0,48V
G=70 dB
GBW=75MH
z
φm=55o
P=0,72mW
C
Tmunit C
gf 1,
Analóg
VLSI 25
On-chip thermosztát
IREFUSzab
Hőmérséklet-mérőSzilícium-dióda
„fűtő”-tranzisztor
Ifűtő
Differenciál-erősítő
Szabályzóáramkör
Faichild, 1964
Analóg
VLSI 26
Egylépéses áramösszegző D/A
DiDi128.I0T8T1
Iref
I
K7
I0
K0 K1
2.I0
VCC R1
-+
Uki
IRUki 1
-USS
K-kapcsoló
D/A conv
Virtuális föld
SínSín
VLSI 27
Áramok kapacitív tárolása
+-
C
ITÁR
+U
-U
D/A conv
VLSI 28
Áramkapcsolós, ciklikusan működő A/D átalakító
d
Φ3
Φ1
Φ2
T3
IBE
+V
-+
IREF
T1 T2
C1 C2
C3
SS
d (Φ1+ Φ2) + Φ4
-V
Φ1+ Φ3 Φ2+ Φ3 Áram-komparátor
21 3
2IBE
IBEIBE
Ha 2IBE>IREF, akkor d=1
4
D/A conv
VLSI 29
d
Φ3
Φ1
Φ2
T3
+V
-+
IREF
T1 T2
C1 C2
C3
d (Φ1+ Φ2) + Φ4
-V
Φ1+ Φ3 Φ2+ Φ3 Áram-komparátor
Ha IX>IREF, akkor d=1
I3
I2I1
D/A convI3 „átmásolása” C1 és C2-be….
VLSI 30
Áramkapcsolós A/D további lépései
-+
C
I2. lépés: d=1, S=0 I3= 2IBE
I1=I2=2IBE-IREF
I3=(I1+I2)=4IBE-2IREF
4IBE-2IREF>IREF → IBE>3/4 IREF
3. lépés: d=1, S=0 I1=I2=I3-IREF=4IBE-3IREF
I3=(I1+I2)=8IBE-6IREF
8IBE-6IREF>IREF → IBE>7/8 IREF
-U
+U
D/A conv
VLSI 31
VLSI áramkörök megvalósitási lehetőségei
1000 10,000 100,000
Full-custom (tipikus: mobil)
Darabszám
Cellás tervezés
Programozható(Gate-array, SoC)
Költség
Szempontok: - sebesség - fogyasztás - költségek, ár - tervezés, korrekció
PLA
VLSI 32
Programozott áramkörök programtároló elemei
• Statikus flip-flop
• EEPROM/FLASH
• Antifuse
Q
n
pp
n
VCC
Tunnel
Drain
Control Gate
Source
Floating
Szigetelő
FPGA
VLSI 33
Prog.
Prog.
inverz
Preset
Clear
EEPLD „Makrocella” felépítése
DP
Q
C
Bemenetekről Makrocellákról
I/O-ról
Output Enable
Global órajel
Cella órajel
Programozható flip-flop
I/O pin
Inputs
EEPROM cella
products
sum
FPGA
VLSI 34
Programmable Interconnect Array (PIA)
Macrocell
Macrocell
Macrocell
I/O
I/O
I/O
Macrocell
Macrocell
Macrocell
I/O
I/O
I/O
Macrocell
Macrocell
Macrocell
I/O
I/O
I/O
Macrocell
Macrocell
Macrocell I/O
I/O
I/O
Macrocell
Macrocell
Macrocell I/O
I/O
I/O
Macrocell
Macrocell
Macrocell I/O
I/O
I/O
Global Clock
EPLD blokkvázlata (Altera)
FPGA
VLSI 35
PASS-TRANZISZTOROS ÖSSZEKÖTTETÉSEK(XILINX)
CLB
CLB
CLB
CLB
SWITCHMATRIX
- Programozható
- Szomszédos cellák között fix
- Globális vonalak
- Long-range vonalak
FPGA
VLSI 36
ACTEL-TEXAS antifuse memória-elem
n-adalékolt réteg
Poliszilicium vezeték
SiO2 szigetelőOxid-Nitrid-Oxid (ONO)ultravékony szigetelő
18VRnormal > 10 MΩ
Rátütött < 300Ω
FPGA
VLSI 37
System-on-Chip (SoC) áramkörök
Dual-portmemória
FPGA
8-bitesmikrocontroller
FPGA
VLSI 38
Atmel System-on-Chip (SoC) áramkör
cella I/Ocellák
HorizontálisSínek: 5 x 1 local+ 2 express
Vertikális sínek: 5 x1 local+2expr.
vezetékek a memória és C felé
32 x 4 bitmemória
Csatlakozásilehetőség h/v
Segment =4 x 4 cella
50K kapu, 3V, 18Kbit, 100MHz, 384I/O.
I/O cellákLocal: 4cella, Expr:8 cella
FPGA
VLSI 39
S
Atmel System-on-Chip (SoC) áramkör
Cellák közti közvetlen kapcsolat
Kapcsolódási pontok
N
EW
SESW
NW NE
CellaCella
Cella
Express line
Local line
FPGA
VLSI 40
3
Interruptok System controlÓrajel A/D konverter
Timer1
Timer 2
Watchdog
Perifériás int.
Soros interfész CPU RAM
Data EEPROM EPROM
Port A Port A Port APort A
Vcc,a
Vss,a
Interrupts XTAL ResetMód
Data ControlAddress high
Address low
RxTx
PWMEvent
PWMEvent
I/O
88 88
Analóg bemenetek
Vcc
Vss
8-bites microcontrollerblokksémája
Proc.
VLSI 41
Mikrokontrollerek főbb jellemzői
• von Neumann, vagy Harvard-típusú felépítés
• Sebesség (egy művelet végrehajtási ideje)
• Program-memória típusa (Flash) és mérete
• On-chip RAM mérete
• Külső memória-bővítés
• Fogyasztás aktív üzemben
• Kisfogyasztású, takarékos üzemmódok
• Utasítás-készlet (RISC)
• On-chip A/D ill. D/A átalakító
• Interfészek (I2C, CAN, USB)
• Extra szolgáltatások
Proc.
VLSI 42
”Energia-takarékos” (Standby) üzemmódok
Különböző, nem egységes elnevezések: Power-save, Standby, Sleep, stb.
Módok:
1. Egyes egységek leállítva, program szerint („Half active”)
2. Sleep: csak az „awake”-figyelés működik
3. Mint „Sleep”, de közben számolja az időt és időre visszatér
4. Csak interfész-t figyel
5. „HALT” leállítja az órát, minden leáll – reset-tel vagy külső órával indítható újra
6. Sub-clock (NEC találmány): 30kHz-es clock-ra vált át.
Proc.
VLSI 43
SW Reset
Capture
PWM
16-bit capture/ compare reg.
compare
compare
16-bit capture/ compare reg.
16-bitszámláló
8-bit előszámláló
Eseménybemenet
Flag+Int.
Flag+Int.
Flag+Int.
Flag+Int.
OverflowExt. reset
Timer/Counter egységProc.
VLSI 44
0 1 2 3 4 5 6 7
START BIT
STOP BIT
LSB
Az RS-232 soros átviteli szabvány
Interface
Mintavétel 33% és 66%-nál